Паразитное напряжение — это возникновение электрического потенциала между двумя объектами, которые в идеале не должны иметь разницы напряжений между ними. Между двумя заземленными объектами, расположенными в разных местах, часто существует небольшое напряжение из-за нормального течения тока в энергосистеме. Большие напряжения могут появиться на корпусах электрооборудования из-за неисправности в системе электропитания, например, нарушения изоляции.
Паразитное напряжение — это любой случай нежелательного повышенного электрического потенциала, но более точная терминология указывает на источник напряжения. Напряжение нейтраль-земля ( NEV ) конкретно относится к разнице потенциалов между локально заземленным объектом и заземленным обратным проводником или нейтралью электрической системы. Нейтраль теоретически имеет потенциал 0 В, как и любой заземленный объект, но ток течет по нейтрали обратно к источнику, несколько повышая напряжение нейтрали. NEV — это произведение тока, протекающего по нейтрали, и конечного, ненулевого импеданса нейтрального проводника между данной точкой и ее источником, часто удаленной подстанцией. NEV отличается от случайно находящихся под напряжением объектов, поскольку это неизбежный результат нормальной работы системы, а не несчастный случай или дефект материалов или конструкции.
В 2005 году Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) созвал Рабочую группу 1695, чтобы попытаться сформулировать определения и рекомендации по смягчению различных явлений, называемых паразитным напряжением. Рабочая группа попыталась провести различие между терминами паразитное напряжение и контактное напряжение следующим образом:
Несмотря на приведенные выше определения, термин паразитное напряжение продолжает использоваться как работниками коммунальных предприятий, так и широкой общественностью для обозначения всех случаев нежелательного избыточного электричества. Например, на ежегодной конференции Джоди С. Лейн по обнаружению, смягчению и предотвращению паразитного напряжения, проходившей в штаб-квартире Con Edison в Нью-Йорке в апреле 2009 года, на которую съехались президенты большинства крупных коммунальных предприятий со всей территории США и Канады. , руководители коммунальных предприятий продолжали использовать паразитное напряжение во всех случаях нежелательного избытка электроэнергии. Термин «контактное напряжение» использовался только один раз, возможно, потому, что «контактное напряжение» обычно является ошибкой поставщика, сети или монтажной компании. Лишь немногие компании готовы открыто обсуждать свои ошибки, не говоря уже о тех, которые опасны для жизни. Казалось бы, паразитное напряжение теперь является общим термином для всех нежелательных утечек напряжения, поскольку оно классифицирует неисправность как часть нормальной работы, тем самым ограничивая ответственность.
В январе 2004 года в Нью-Йорке женщина по имени Джоди С. Лейн была убита электрическим током от плиты дорожного хранилища размером пять на восемь футов, подключенной к «неправильно изолированному проводу» . Растущая озабоченность по поводу роли коммунальных предприятий в обеспечении электробезопасности в городской среде, как средства массовой информации, так и регулирующий орган штата Нью-Йорк использовали паразитное напряжение для напряжения между нейтралью и землей (NEV), но признали, что дурная слава инцидента на Лейн привело к тому, что паразитное напряжение стало термином, хорошо знакомым общественности.
В этот момент регулятор использовал паразитное напряжение для обозначения любых «состояний напряжения на электроустановках, которые обычно не должны существовать. Эти условия могут быть вызваны одним или несколькими факторами, включая, помимо прочего, поврежденные кабели, изношенные, изношенные или поврежденные кабели. отсутствие изоляции, неправильное обслуживание или неправильная установка». [4] В том же документе комиссия признала NEV естественным состоянием. [ нужны разъяснения ]
С тех пор термин «паразитное напряжение» имел как минимум два совершенно разных определения. Эта ситуация вызывает замешательство среди коммунальных предприятий, регулирующих органов и общественности. [5] Термин «паразитное напряжение» обычно используется для обозначения всех нежелательных электрических утечек как широкой публикой, так и многими специалистами в области электроэнергетики. Другое, более эзотерическое явление, которое также приводит к повышенному напряжению на обычно обесточенных поверхностях, также называется «паразитным напряжением». Примерами являются напряжение из-за емкостной связи , ток, наведенный линиями электропередачи, ЭДС , молния , повышение потенциала земли и проблемы, возникающие из-за открытых (отсоединенных) нейтралей.
Незаземленные металлические объекты, расположенные рядом с источниками электрического поля , такими как неоновые вывески или проводники, по которым течет переменный ток , могут иметь измеримые уровни напряжения, вызванные емкостной связью . Поскольку напряжения, обнаруживаемые приборами с высоким импедансом, исчезают или значительно уменьшаются при замене на низкое сопротивление, этот эффект иногда называют фантомным напряжением (или фантомным напряжением ). [6] Этот термин часто используется электриками, и его можно увидеть, например, при измерении напряжения в осветительном приборе после снятия лампочки. Нет ничего необычного в измерении фантомного напряжения 50–90 В при проверке проводки обычных цепей на 120 В с помощью прибора с высоким сопротивлением. Хотя создаваемое напряжение может почти соответствовать полному напряжению питания, емкость или взаимная индуктивность между проводами систем электропроводки здания обычно довольно мала и не способна подавать значительный ток . [7]
Однако при работах по воздушной передаче на высоковольтных линиях или вблизи них правила безопасности требуют подключения проводника к заземлению во время технического обслуживания, поскольку наведенные напряжения и токи на проводнике могут быть достаточными, чтобы вызвать поражение электрическим током или серьезную травму.
Переменный ток отличается от постоянного тока тем, что ток может течь через то, что обычно кажется физическим барьером. В последовательной цепи конденсатор блокирует постоянный ток , но пропускает переменный.
В системах передачи электроэнергии одна сторона цепи, известная как нейтраль , заземляется для рассеивания статического электричества и снижения опасного напряжения, вызванного нарушением изоляции и другими электрическими неисправностями. Можно получить удар током, только прикоснувшись к раскаленному проводу, поскольку тело человека емкостно связано с землей, на которой он стоит, даже если человек стоит на изолированной поверхности.
Классическая электромагнитная индукция может возникать, когда длинные проводники образуют разомкнутый контур заземления под линиями передачи или распределения и параллельно им. В этих случаях в петле индуцируется ток, когда человек касается ее и заземляется. Поскольку при этом используется реальный ток, это потенциально опасно. Этот вид наведенного тока чаще всего возникает на длинных ограждениях и распределительных линиях, построенных под линиями электропередачи большой мощности . [8] [9]
Паразитное напряжение может быть вызвано повреждением или разрушением изоляции. Нарушение изоляции — это, по сути, повреждение с высоким импедансом, которое позволяет току течь по любому доступному пути к земле, и это состояние может привести к поражению электрическим током или возгоранию, если его не устранить. Эта утечка может произойти при повреждении изоляции линий электропередач, особенно, помимо прочего, подземных или подводных кабелей, вызванных физическими, термическими или химическими воздействиями. Примерами таких повреждений являются вздутие или растрескивание изоляции из-за перегрева, ссадины, вызванные копанием или заеданием грунта, а также коррозионные повреждения из-за воздействия соли или масла. Утечка электричества также может произойти из-за скопления влаги, соли, пыли и грязи на открытых изоляторах при воздушном распределении электроэнергии. Если утечка в этих случаях достаточно серьезная, это может привести к пожару на столбе.
Термин «паразитное напряжение» используется для обозначения градиента (скорости изменения в зависимости от расстояния) электрического потенциала на поверхности почвы, связанного с однопроводными системами распределения электроэнергии с возвратом на землю , используемыми в некоторых сельских районах. Этот градиент невелик в точках, удаленных от обратных соединений с землей, но увеличивается вблизи заземляющих стержней, где металлическая цепь входит в землю.
В трехфазных четырехпроводных («звезда») системах электроснабжения, когда нагрузки на фазы не совсем равны, в нейтральном проводнике возникает некоторый ток. Поскольку как первичная, так и вторичная обмотка распределительного трансформатора заземлены, а первичное заземление заземлено более чем в одной точке, земля образует параллельный обратный путь для нейтрального тока, позволяя части нейтрального тока непрерывно течь через землю. Такое расположение частично отвечает за паразитное напряжение.[10]
Паразитное напряжение является результатом конструкции 4-проводной распределительной системы и как таковое существовало до тех пор, пока такие системы использовались. Паразитное напряжение стало проблемой для молочной промышленности через некоторое время после появления электрических доильных машин, и большое количество животных одновременно контактировало с металлическими предметами, заземленными на систему электрораспределения и землю. Многочисленные исследования документально подтверждают причины, [11] физиологические эффекты, [12] и предотвращение, [13] [14] паразитного напряжения в среде фермы. Сегодня паразитное напряжение на фермах регулируется правительствами штатов и контролируется путем проектирования эквипотенциальных плоскостей в местах, где домашний скот ест, пьет или дает молоко. Имеющиеся в продаже изоляторы нейтрали также предотвращают повышение потенциала нейтрали энергосистемы от повышения напряжения нейтрали фермы или заземляющих проводов.
Обычно в системах железнодорожного транспорта по крайней мере один из рельсов используется в качестве обратного проводника для тягового тока. Такое расположение является распространенным, исходя из экономических соображений, поскольку не требует установки дополнительного обратного проводника. Этот рельс соприкасается с землей во многих местах по всей своей длине. Поскольку ток будет следовать по каждому параллельному пути между источником и нагрузкой, некоторая часть тягового тока также будет течь через землю. Обычно это называют током утечки или паразитным током. Величина тока утечки зависит от проводимости обратных дорожек по сравнению с почвой; и от качества изоляции между путями и грунтом. Там, где на железной дороге используется постоянный ток , этот блуждающий ток может привести к повреждению других закопанных металлических предметов в результате электролиза и ускорить коррозию металлических предметов, находящихся в контакте с почвой. [15]
Разнородные захороненные металлы, такие как медь и сталь, могут действовать как полюса гальванического элемента , используя влажную почву в качестве электролита. Блуждающие постоянные токи в почве могут противодействовать антикоррозионному эффекту системы катодной защиты . При проектировании систем передачи постоянного тока высокого напряжения необходимо учитывать, чтобы ток, протекающий в земле, не вызывал нежелательной коррозии подземных объектов, таких как трубопроводы.
Блуждающие токи железных дорог создают или ускоряют электролитическую коррозию металлических конструкций, расположенных вблизи транспортной системы. Это приводит к тому, что металлические трубы, кабели и заземляющие сетки, проложенные в земле рядом с путями, имеют гораздо более короткий срок службы, что очень важно с точки зрения безопасности и экономии.
Небольшие паразитные напряжения могут быть никогда не замечены и могут быть обнаружены только с помощью вольтметра . Более высокие напряжения могут иметь самые разные последствия: от едва заметных до опасных поражений электрическим током или непреднамеренного электрического нагрева, приводящего к возгоранию. Обычно металлические корпуса электрооборудования заземляются , чтобы предотвратить опасность поражения электрическим током в случае случайного контакта находящихся под напряжением проводников с корпусом. Если такое соединение не предусмотрено или нарушено, возникает серьезная опасность поражения электрическим током или поражения электрическим током при контакте проводников цепи с корпусом.
В любой ситуации, когда оборудование, находящееся под напряжением, находится в тесном электрическом контакте с человеком или животным (например, бассейны, хирургические кабинеты, электрические доильные машины, автомойки, прачечные и многие другие), особое внимание необходимо уделять устранению паразитных напряжений. Сухая неповрежденная кожа имеет более высокое сопротивление , чем влажная кожа или рана, поэтому напряжения, которые в противном случае остались бы незамеченными, становятся значительными в условиях влажной или хирургической ситуации. Потенциальные различия между водой в бассейне и перилами или душевой кабиной и заземленными сливными трубами не являются чем-то необычным из-за напряжения нейтраль-земля (NEV) и могут быть серьезной неприятностью, но обычно не опасны для жизни. Однако контактное напряжение, возникающее в результате повреждения изоляции токоведущего проводника, может быть очень опасным и может привести к поражению электрическим током или поражению электрическим током. Такое состояние может возникнуть спонтанно в результате механического, термического или химического воздействия на изоляционные материалы или в результате непреднамеренного повреждения в результате земляных работ, замерзания, коррозии и разрушения трубопровода или даже проблем с качеством изготовления.
Контактное напряжение подает напряжение на объекты, которые обычно безопасны: заборы, телефонные будки, уличные знаки и т. д. Везде, где имеется подземная электропроводка, в этой проводке может произойти сбой и создать условия, позволяющие электричеству течь в непосредственную окружающую среду. Некоторые системы имеют защитные устройства, такие как автоматические выключатели или прерыватели цепи замыкания на землю (GFCI), предназначенные для изоляции такого повреждения. Однако при отсутствии защитных устройств, в случае их выхода из строя или неправильной установки неисправность останется незамеченной до тех пор, пока она либо не вызовет выход из строя цепи, либо пока не будет обнаружена человеком.
Паразитное напряжение может оказать вредное воздействие на здоровье и продуктивность животных. [16] Некоторые молочные фермеры заявляют, что это причинило ущерб урожайности или поголовью. [17]
Доктор Дуглас Дж. Райнеманн, профессор инженерии биологических систем в Университете Висконсин-Мэдисон , сообщил о паразитных напряжениях на молочных фермах в 2003 году . [18] При расследовании заявлений о паразитных напряжениях необходимо также учитывать другие проблемы, связанные со здоровьем животных.
В 2003 году Верховный суд штата Висконсин оставил в силе решение на сумму 1,2 миллиона долларов против электроэнергетической компании штата Висконсин WEPCO по делу Хоффман против Wisconsin Electric Power Company . Семья Хоффман, молочные фермеры недалеко от Нью-Лондона , подали в суд на WEPCO после нескольких лет снижения производства. WEPCO измерила на ферме токи, вызванные паразитным напряжением, ниже одного миллиампера , «уровня беспокойства», установленного Комиссией по коммунальным услугам штата Висконсин , но суд постановил на процедурных основаниях, что коммунальное предприятие может быть признано небрежным в соответствии с общим правом , даже если они соответствовал государственному стандарту. По заявлению суда, Хоффманы представили жизнеспособную альтернативную теорию о том, что паразитное напряжение нанесло им экономический ущерб. [19]
В 2017 году присяжные встали на сторону фермеров Пола и Лин Халдерсон в иске против Xcel Energy на сумму 4,5 миллиона долларов. Халдерсоны заявили, что паразитное напряжение в линиях электропередач нанесло вред их стаду, насчитывающему 1000 коров, и снизило надои молока. Присяжные пришли к выводу, что дочерняя компания Xcel – Northern States Power – проявила «небрежность в отношении предоставления электроуслуг». Жюри присудило 4,09 миллиона долларов за экономический ущерб и еще 409 000 долларов за «неудобства, раздражение и потерю возможности использования и удовольствия» от собственности. [20]
В крупных городах проблемы паразитного напряжения стали серьезной проблемой. Во многих из этих районов имеется большое количество устаревшего подземного и надземного электрораспределительного оборудования в многолюдных общественных местах. Даже небольшой процент нарушений изоляции или утечки тока может привести к опасному воздействию на население.
Компания Consolidated Edison в Нью-Йорке сталкивалась с частыми случаями паразитного напряжения, [21] [22] включая смерть от удара электрическим током Джоди С. Лейн в 2004 году, когда она выгуливала свою собаку на Манхэттене . [21] В 2009 году Фонд общественной безопасности Джоди С. Лейн [23] объявил о создании общедоступного веб-сайта с картами, показывающими тысячи зарегистрированных мест паразитного напряжения в Нью-Йорке. Кроме того, Фонд спонсирует «Конференцию Джоди С. Лейн по обнаружению, смягчению и предотвращению паразитного напряжения», ежегодное собрание, на котором принимают участие электроэнергетические компании и регулирующие органы со всей страны для обсуждения программ обнаружения паразитного напряжения. Фонд также инициировал и пропагандирует регулярное сканирование мобильных устройств коммунальными предприятиями на предмет опасностей паразитного напряжения.
В Бостоне компания NSTAR Electric (ранее Boston Edison ) также имела проблемы с опасными паразитными напряжениями, из-за которых в 1990-х годах погибло несколько собак. [24] В результате правительство города Бостона запустило программу по обнаружению, составлению отчетов и устранению опасностей, связанных с паразитным напряжением. [25]
В выходные 30 января 2009 года компания Toronto Hydro отстранила всех сотрудников от обычных дежурств, чтобы решить текущие проблемы с паразитным напряжением в городе. [26] Это произошло после того, как пятеро детей были шокированы [27] , хотя ни один из них не получил серьезных травм. За последние несколько месяцев проблема с паразитным напряжением унесла жизни двух собак. [28]
В марте 2013 года калифорнийка Симона Уилсон выиграла иск против своей энергетической компании на сумму 4 миллиона долларов после того, как паразитное напряжение на подстанции возле ее дома неоднократно поражало ее и членов ее семьи, когда они были в душе. [29]
Администрация социального обеспечения США, судья по административным делам Эдвард Бергтольдт своим решением от 17 августа 2000 года присудила Майклу Ганнеру постоянную инвалидность из-за воздействия паразитного напряжения.
Паразитное напряжение обычно обнаруживается во время обычных электромонтажных работ, в результате жалобы клиента или инцидента, вызванного поражением электрическим током. Все большее число коммунальных предприятий в городских районах в настоящее время проводит регулярные периодические и систематические активные испытания на паразитное напряжение (или, точнее, контактное напряжение) в целях общественной безопасности. Некоторые зарождающиеся электрические неисправности также могут быть обнаружены во время плановых работ или программ проверок, которые не направлены конкретно на паразитное напряжение.
Оборудование, используемое для обнаружения паразитного напряжения, различается, но наиболее распространенными устройствами являются электрические тестеры или детекторы электрического поля с последующим тестированием с использованием вольтметра с низким импедансом. Ручки для электрических тестеров — это портативные устройства, которые обнаруживают разность потенциалов между рукой пользователя и проверяемым объектом. Обычно они указывают на контакт с объектом под напряжением, если разность потенциалов превышает порог чувствительности устройства. На надежность теста может повлиять, если пользователь сам находится под повышенным потенциалом или если пользователь не прикасается голой рукой к эталонному разъему тестера.
Емкостная связь — это механизм, используемый в электрических тестовых перьевых устройствах. Поскольку емкость между объектом и источником тока обычно мала, только очень малые токи могут течь от источника под напряжением к связанному объекту. Цифровые или аналоговые вольтметры с высоким импедансом могут измерять повышенное напряжение на объектах, не находящихся под напряжением, из-за этой связи, что фактически дает ошибочные показания. По этой причине необходимо проверять измерения напряжения с высоким импедансом на обычно обесточенных объектах.
Проверка показаний напряжения производится с помощью низкоомного вольтметра, который обычно имеет шунтирующий резистор, шунтирующий выводы вольтметра. Поскольку очень небольшой ток может течь от связанной поверхности через небольшое сопротивление шунта или измерителя, напряжения емкостной связи упадут до нуля, что указывает на безобидную «ложную тревогу». Напротив, если испытуемый объект находится в контакте с источником тока или соединен с очень большой емкостью (возможно, но маловероятно в этом контексте), напряжение упадет лишь незначительно, как того требует закон Ома . В последнем случае подается реальная мощность, что указывает на потенциально опасную ситуацию.
Детекторы электрического поля определяют напряженность электрического поля относительно тела пользователя или монтажной платформы. Ощущая градиенты электрического поля на расстоянии, они могут обнаруживать объекты под напряжением, не вступая в прямой контакт, что делает эти инструменты полезными для сканирования или проверки больших площадей на предмет потенциальных опасностей, связанных с электричеством. Низкое значение электрического поля также дает четкую индикацию того, что в контролируемой зоне ни один объект не находится под напряжением. Детекторы электрического поля реагируют на все источники поля, и любые положительные показания необходимо проверять с помощью вольтметра с низким импедансом, чтобы исключить ложные срабатывания. Обнаружение близости электрического поля также находит применение в других отраслях промышленности: от производства до обеспечения безопасности зданий.
Поскольку паразитное напряжение невозможно увидеть, понюхать или услышать, у населения нет простого способа узнать, существует ли опасная ситуация. Периодическое тестирование является важной мерой предосторожности, но возможно, что опасное состояние может развиться без предупреждения.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )